GIS可视化（精选7篇）
GIS可视化 篇1
一、GIS在环境评价方面的研究进展
当今, 国内外学者在区域环境评价、累积环境评价、战略环境评价方面展开了深入研究, 尤其是发达国家和地区已取得了很大进展, 特别是GIS的应用。在环境评价领域采用GIS技术, 可以把指定区域的环境质量与地理位置紧密结合, 利用地理位置联结所有属性的公共坐标, 在查询和分析时, 使质量状况与地理位置融为一体。GIS软件所提供的图层间叠置和物体周围缓冲区的生成, 使GIS在非点源评价上与传统方法相比更胜一筹, 优点更加突出。
与国外相比, GIS在我国环境评价中的应用范围和深度还不够, 但随着GIS技术的发展和人们对其认识的加深, GIS技术也越来越多地应用于我国环境评价的各个领域, 使环境评价中涉及的环境模型的检验、校正更容易, 使空间表达问题的视觉效果有了质的飞跃。
二、建设数据库的必要性
面对环境突发事件高发的态势, 国家对环境风险管理提出了更高的要求。全国环境保护大会上曾提出:要牢固树立隐患险于事故、防范胜过救灾的理念, 加大风险隐患排查和评估力度, 把环境污染事件消灭在萌芽状态。《国务院关于加强环境保护重点工作的意见》 (国发【2011】35号) 也明确提出:有效防范环境风险和妥善处置突发环境事件, 建设更加高效的环境风险管理和应急救援体系。
国际大石油公司非常强调企业环境风险管理, 尤其在“墨西哥湾事件”以后, 各大公司相继建设了企业环境风险管理平台:BP建立覆盖全公司的运营管理体系 (OMS) , 在安全、风险管理和运营完整性方面提供了统一和系统化的方式, 并通过采纳来自实施经验、事故调查、审查与风险评估等方面的知识, 实践持续改进OMS, 形成了全套的标准、流程、工具和方法体系构成的风险管理体系, 用于识别、监督和管理风险, 实现了对风险的评估、排序和管理。Shell致力于识别并评估可能导致事故的风险, 并采取必要措施降低或消除风险。另一方面, 时刻做好准备, 力求及时应对发生的事故。2009年发布了HSSE&SP控制框架, 包含一套简化的强制性标准, 整合了HSSE (健康、安全、安保、环保) 所有要求。风险管理上, 开发了极具特色的“领结”模型, 形成风险管理平台。“领结”模型从事件管理出发, 一是统计分析事故原因的发生概率, 进行分级分类, 二是判断事故发生后的可能后果, 识别后果类型和严重性, 实现后果分级, 在此识别的基础上, 对重要事故原因或严重的事故后果强化防控手段, 有针对性的开展风险防控, 指导风险防控项目投入。
公司的环境风险管理平台建设尚处于起步阶段, 亟需开展相关领域研究, 建设符合本身管理特点的环境风险管理数据库。下属企业特别是炼化、销售和管道企业, 出于运输的便捷性和经济性考虑, 大多分布在江河湖海沿岸, 这种布局短时间内难以改变。根据近年来开展的环境风险排查, 距离重要河流或海域不足5km的油库有200多座, 其中大部分没有事故缓冲池或防控能力不足;输油管道穿越重要河流水系共200多处。炼化企业虽普遍建立了三级防控体系, 但仍有部分环境敏感程度高的企业在雨污分流、雨排系统、事故缓冲容量、拦污设施等方面尚需提标改造。
随着业务的快速增长, 油气勘探开发、炼化、销售和管道等企业分布越来越广泛, 相应涉及到众多的饮用水水源保护区、自然保护区、重要水体、集中居住区等环境敏感区, 石油石化作为高环境风险行业, 一旦发生物质泄漏、火灾爆炸等事故会造成严重的环境后果, 并导致负面社会影响。近几年来, 水域污染事件、油品泄漏事件、输油管道爆炸事件等一系列事故经验教训表明中国石油在企业环境风险管理、防控上还有待进一步加强。
三、建设数据库的目的
◆跟进国家环境风险管理新要求、新趋势, 提早把握企业环境风险管理的新方向按照国家环境风险管理政策的新要求, 采集并动态更新所属企业环境风险源状况、周边环境特点及环境保护目标分布、环境风险防控措施、应急能力建设、专家库等信息, 建立环境风险信息数据库, 实现公司环境风险的信息化管理, 帮助公司全面、准确把握下属各企业环境风险源特征及管理状况。
◆集成环境风险源、环境保护目标、应急资源、应急专家库等信息, 使公司环境风险管理步入信息化, 提升管理效率风险数据库将录入公司下属企业环境风险特点、风险防控能力等信息, 收集环境保护目标信息及分布情况, 统筹管理公司现有环境应急物资、应急队伍, 并与政府应急物资储备库, 以及应急物资生产厂相衔接;配套建设环境应急专家支持系统。使公司环境风险管理实现信息化和整体化, 提升环境风险管理效率。
◆实施环境风险评估, 划分企业环境风险等级, 并根据环境风险信息变化实现动态化评估通过数据库信息的动态化更新, 借助科学的环境风险等级评估方法, 实现环境风险分类分级管理, 为高风险企业提供环境风险预警信息, 并能指导企业有针对性地开展环境风险管理工作。
◆识别企业环境风险防控的薄弱环节, 提高环境隐患治理项目的针对性和科学性通过开展环境风险评估, 对照国家要求, 查找企业环境风险防控措施中的薄弱环节, 为公司及所属企业筛选重点环境风险隐患治理项目提供科学依据。
◆开发大气和水污染预测模型和软件, 快速预测事故可能后果, 指导开展事故处置基于数据库平台, 开发事故水环境污染和大气环境污染通用预测模型和软件, 并针对水环境风险高的重点区域, 收集并录入详细环境特征信息, 开发专项预测模型, 实现事故后污染物迁移扩散规律的快速预测和影响模拟。日常情况下, 能指导企业针对性地制定并优化环境应急预案, 辅助开展应急演练和培训;事故状态下, 能提前预警环境保护目标可能受影响的时间和程度, 为现场应急指挥决策提供科学依据。
◆分析区域环境风险因素, 优化应急资源调配以企业环境风险评估为基础, 分析区域主要的共性环境风险因素, 为在区域层面加强应急队伍建设、优化应急物资储备, 实现区域环境风险联防联控、合理调配与有效利用应急资源提供科学依据。
总的来说, 通过建立系统的环境风险数据库, 使公司领导和主管部门能够掌握企业环境风险等级, 把握环境风险监控重点;使企业管理者能够了解本企业环境风险防控水平, 明晰薄弱环节。日常情况下, 为企业动态提供环境风险预警信息;事故状态下, 为快速响应、科学处置, 最大程度地减轻环境危害提供决策支持。实现重大环境风险可知可控, 环境应急能力得到提升, 重特大突发环境事件得到遏制。
四、数据库功能设计
4.1信息化管理功能。建立环境风险基础信息数据库, 采集并录入企业环境风险基础信息, 建立环境风险数据库, 实现企业基本信息查询、区域环境特征信息查询、环境保护目标信息查询、以及企业和环境保护目标之间的交互查询;建成覆盖公司、政府、社会的应急资源储备库信息, 并建立应急物资生产企业库, 形成全面的应急物资保障、调配平台;组建环境应急专家库, 提高环境风险管理与环境应急指挥的技术支持能力。
4.2环境风险评估与管理。实现企业环境风险等级计算与结果导出, 并能反映企业环境风险管理中的不符合项或薄弱环节, 指导企业完善环境风险防控措施;根据企业环境风险等级及其地域分布, 实现区域环境风险定性评估, 指导优化应急资源储备和布局。
4.3突发环境事件影响预测。实现突发环境事件发生后大气环境、水环境影响的快速预测, 并能进行图像模拟, 为应急指挥决策提供技术支持。
五、数据库建设需要解决的关键技术问题
5.1数据库功能设计。功能设计是数据库建设的基础, 良好的数据库功能设计不仅要便于收集、管理、展现环境风险信息, 更应该为相关管理部门和企业环境风险管理者提供良好的服务平台, 满足环境风险日常管理和突发环境事件应急处置的实际需求。
本文对环境风险数据库的功能设计提出了初步构想, 为更好、更快地建设环境风险评价数据库, 充分体现数据库的环境应急管理基础信息平台作用、决策参谋作用和应急指挥技术支撑作用, 以更好地服务公司及企业相关管理部门, 需要在充分调查与研究的基础上, 进一步完善数据库的功能设计。
5.2石油石化行业的环境风险评估方法。目前, 企业环境风险评估方法主要有以下几类:针对建设项目环境影响评价的建设项目环境风险评价技术导则、国家发布的企业环境风险等级评估方法, 以及氯碱和硫酸等行业的环境风险评估技术指南。
建设项目环境风险评价技术导致适用于建设项目的环境风险管理, 基于最大可信事故的假设, 目的是定量计算项目环境事故发生概率及后果。这种方法一方面需要的数据量非常大, 另一方面最大可信事故及事故当时的环境条件等信息具有非常大的不确定性, 因此可作为新建项目的良好工具, 但不适用于大范围开展日常性的整体环境风险评估;
国家发布的企业环境风险等级评估方法适用于环境保护行政主管部门, 核心原则是从环境保护目标的需求出发, 考虑区域所有涉及危险化学品的企业的风险叠加效应, 评估区域整体环境风险水平, 目的是优化区域内高风险企业的布局。但该方法并不适用于企业开展自身环境风险评估;
由国家环保部政策法规司组织编制的硫酸、氯碱等行业环境风险评估技术指南现已经发布, 其最初目的是制定一套科学、简单、针对性强的行业环境风险等级评估方法, 作为实行环境责任险的风险评估工具。由于该方法简单、高效并且针对性强, 也是行业整体开展环境风险定性评估的良好工具。但是目前, 石油石化行业风险评估技术指南尚未制定, 国家环保部也曾提出要求石油石化行业开展企业环境风险等级评估方法研究工作。
5.3水和大气污染预测模型及软件。目前, 国内外对水环境、大气环境的相关预测模型已经开展了广泛的研究, 以建设项目环境影响评价导则的预测模型为主要代表, 同时也有一些应用较广的预测软件。但目前的大气和水环境预测模型及软件致力于使预测结果更准确, 因此常常需要大量的基础数据输入。例如大气环境影响预测模型, 仅气象条件一组数据就需要输入至少一年连续观测的小时气象数据, 信息量非常大、预测过程漫长, 不适用于事故发生后的快速预测。因此需要在现有预测模型的基础上, 简化预测条件, 实施快速预测, 为应急处置争取时间, 同时也相应开发简化的预测软件, 并能和数据库和GIS系统实现对接, 使预测结果直观化展示。
对水环境风险高的重点区域, 需开发更为完善、有针对性的专用预测模拟系统, 事前收集预测必须的水文参数、地理信息、环境特征等基础数据, 提前绘制准确的河流走向图, 并与数据库和GIS系统实现对接, 保障一旦发生事故, 能及时投入预测。
5.4数据库运行制度保障。环境风险数据库是一个动态数据库, 需要实时更新企业环境风险信息, 保障数据的真实性和准确性。因此应制定相应的规章制度, 首先将数据库信息采集、开展企业环境风险评估纳入企业环境风险管理日常工作, 其次应对如何组织开展数据审核进行规定, 并且就企业如何开展环境风险评估给予方法指导。
参考文献
[1]李卫宁, 卢远, 赵银军.GIS与数模支持下的油气田环境风险预警系统研究[J].安全与环境学报, 2012, 12 (1) :107-110.
[2]王耀彬.基于GIS的油田事故环境风险可视化系统研究—以吉林油田分公司大情字井油田为例[D].东北师范大学, 2009.
[3]杨宇鸿.GIS在生态环境评价中的应用—以勉县至宁强高速公路为例[D].长安大学, 2006.
[4]何凯.GIS技术在规划环境影响评价应用中的个例研究[D].兰州大学, 2009.
[5]丁毅, 郭小红, 梁兵兵.石油库水环境风险评估方法构建[J].环境经济, 2012, 11:48-49.
GIS可视化 篇2
1 交通物流GIS可视化管理总体流程设计
交通物流GIS可视化管理主要集中在车辆管理、路网管理这两个方面。可视化GIS管理系统与交通物流物联网北斗终端远程对接,交通物流物联网北斗终端安装在物流运输各个车辆上,实现车辆定位、轨迹查询、进度汇报、动态监控和任务预警等[3]。交通物流GIS可视化管理总体流程如图1所示。
可视化GIS管理系统负责GIS数据处理、GIS特征点聚类与优化、轨迹频率分析、动态路径规划等。可视化GIS管理系统与交通物流物联网北斗终端都与监控中心对接,从而使监控中心能够实时掌握车辆与路网的状态,并通过远程处理保持对车辆的控制。
2 GIS数据处理
2.1 地图数据处理
地图数据处理包括矢量数据处理和栅格数据处理。矢量数据处理之前要进行压缩,通过对采样点进行数据细化,然后对矢量坐标数据重新进行编码,以减少所需要的存储空间,通常采用垂距法来进行矢量数据压缩[4]。矢量数据的压缩往往是不可逆的、数据压缩后,数据量变小了,数据的精度降低了,然而并不会影响实际应用。栅格数据是遥感信息采用的存储方式。遥感信息是GIS重要的信息来源,随着GIS的发展,其对遥感信息的依赖会越来越强。这些数据的共同特点是内部信息量大,图像多边形复杂,规律不明显,所以只能以栅格方式存储。通过压缩栅格数据存储可以节省电脑的存储空间。栅格数据是很重要的压缩编码方法。其基本思想是:对于一个栅格图案,相邻方向的行列了一些网格单元具有相同属性的代码,可以采用某种方法把其中一些重复的内容压缩。四叉树编码是最有效的栅格数据压缩编码方法之一。四个象限的图形区域的四叉树的编码是根据2N×2N个像素的一个递归阵列分割,形成过程是:2×2大小的图像被分解为四个相等的部分,每个部分可以被分解成大小相等的四个部分,这样一直分解下去,一直分解到正方形的大小恰好等于该象素的大小为止。
GIS地图数据库采用1:5万或更高规模的电子地图,路网层采用空间坐标系统和公路里程系统路径建立一个工作系统。为了进一步反应区域路网的地理特征,图形数据还包括航空照片或卫星影像照片。对于网络环境下使用数据的安全性、高效率,图形数据的大量性的要求,采用ESRI的Arc SDE进行图形数据的管理。它可以为所有地理数据库类型(矢量、栅格、测量、地形、地理模型、数据库架构、元数据等)进行综合的地理信息管理。
2.2 GIS关键信息与热点
现代交通物流运输过程中需要对地理信息系统中的关键信息与热点进行精准的管理,并能够准确迅速地获取运输路线的地形路况、环境气候、交通补给等GIS关键热点信息,第一时间为物流管理企业的判断和决策提供高效、准确的信息数据辅助,缩短运输距离,减少运输成本。此外结合地理信息系统把收集的GIS关键信息与热点标在GIS地图上,使其更加生动形象,实现可视化管理。其部分热点主要有:
交通指示牌:通过收集各类交通指示牌,标注在地图中,可以更详细了解地理路况信息,为车辆行驶安全提供保障。
标志性建筑物:把实体标志性建筑物记录到地图上,有助于查找未记录在地图界面上的地名,对运输车辆途经的地域初步认识。
加油站服务区:在地图中有加油站、服务区的详细标注,方便车辆随行人员根据车辆实际情况在合适的时间进行交通补给。
电子摄像头:通过记录交通路线沿途的电子摄像头,有利于行车人员在经过安装有电子摄像头地段以安全速度行驶,避免车辆超速。
对这些关键热点信息可以通过人工采集或RFID电子标签、各类传感器、摄像头采集,经过聚类优化处理后显示在地图上,形成具有丰富内容的导航地图。在地图中通过不同图层的叠加,可以自主切换不同的热点类别数据。通过采用聚类优化算法,有效识别出热点集中的区域,并对其提前进行相关路网的分析。当运输任务途径这些区域时,就能快速实现最优运输路线的搜索,以及特殊热点的查找和避让,使得车辆运输通顺流畅,缩短运输时间。
3 轨迹频率分析
随着交通信息采集设备的自动化,智能化水平的不断提高,全球定位系统GPS、射频识别RFID、无线通信、视频监控、车牌自动识别、无线传感器网络等技术,都可以用于跟踪、识别车辆在路网中完整的出行轨迹[5]。通过对所有车辆的公路网行驶轨迹有关路网进行科学处理,可以到详细、准确、可靠的交通运行现状信息,为获得各种交通状态信息提供了新的解决思路。GIS具有空间数据管理,图形处理性能,辅助决策等功能,这使得它在交通运输领域有着良好的优势。因此,利用GIS技术建立车辆行驶轨迹分析系统,为轨迹分析处理提供了一个直观的可视化表示形式和决策支持。
在交通道路方面,现有的轨迹识别技术分析,常常是分析在监视器画面上的道路移动物体的轨迹,并能检测车辆禁止左转、逆向行驶等异常行为,而轨迹预测需要分析包含多个路段部分,并且在所述道路网络的交叉点的车辆路径,从相关信息中预测车辆选择的下一个道路。如在城市的调度中,如果可以通过一定的处理方法预测车辆要经过的下一段道路处理拥堵状况,则可以发送道路拥堵的信息给司机,这样司机就可以及时地更改路线,以避免进一步的交通拥堵。同时也可以将这种情况提交到服务器通知相关部门来及时处理。
在物流作业过程中,对在途车辆的轨迹频率分析要结合车辆的现有状态进行。将车辆的状态划分为正在装车、正在运输和空车返回三种状态,不同的状态所行走的路线不一定相同,这是轨迹频率分析需要重点注意之处。如果能够合理规划空车返回的路径,通过有效的调度使车辆正好途径其他等待运输的装车处,则能够减少空车率,降低时间成本和经济成本。
4 历史数据统计分析
物流活动复杂多样,在交通运输过程中会产生大量的数据记录,有的数据能够及时被用上,而更多数据则直接被存进数据库,成为历史数据。历史数据如果不重新进行分析归整,则毫无用处。反之,如果能够从历史数据中发现某些规律或问题,就能够对今后的物流活动、甚至是物流决策起到参考作用。采用针对GIS数据的数据挖掘方法,将分析的过程、结果显示在GIS地图上,能够更直观、更有效体现历史数据的价值。
在交通物流GIS路网可视化管理系统中,采用联机分析处理技术来处理海量的交通物流历史数据,通过计算数据立方体、建立视图、优化查询、数据集成等方法提高数据处理的效率[6]。与交通物流相关的数据分析如表1所示。
历史数据统计分析不是实时进行的,而是按照一定的时间间隔进行。由于有的统计内容需要长时间的大量数据为基础,而有的统计只需要短期的部分数据即可分析出来,因此在系统中必须能够设定自定义的统计时间,并随时抽取对应时间范围的数据。
5 动态路径规划
对实际的道路网解决最优路径的问题,要考虑道路的实际情况,如道路宽度,交通流量的大小,以及在道路网络中更复杂的情况,因此要考虑一种动态的而不是静态的时间最优政策的问题。以时间作为权值的基于道路网进行最优选择是时间最优路径算法。因为道路上的交通状况和行程时间都是动态变化的,但是交通参数检测和预测分析的技术会有一些限制,这样得到行程的时间就是不准确和可用的。当时间变化时,经过离散处理,把这些工作时间分为几个事端,认为单一时间段里的行程时间无变化且交通状况也是稳定的,一旦路程发生变化行程时间也有可能不同。在动态最佳路径选择过程中,线路行程时间和车辆经过路段的时刻有关,而搜索开始时车辆到达路段的时刻是未知的,所以需要确定该车辆通过部分路段的时刻和搜索过程中所需要的行驶时间。动态路径优化效果如图3所示。
由图3可知,系统提示的最优路径未必是最短路径,但一定是最快的路径。然而需要考虑到距离的增加会带来油耗的增长,时间成本的降低与运费成本的增加是否符合预期,不能忽略的问题是道路的拥堵同样会造成油耗增长。系统需要在三者之间综合对比,在时间最短的算法基础上进一步改进,得出真正的最优路径并实时发送给车辆。采用了最优路径运输的车辆沿路采集的数据信息也同步回传系统进行分析,以便系统获得更精准的判断。
6 结语
通过GIS地图数据存储与处理、热点信息识别与聚类优化、车辆轨迹频率分析、历史数据统计分析以及动态路径规划等方面研究交通物流GIS路网可视化管理,实现物流车辆运输过程中的状态监控、最优路径导航、热点提示,以及交通调度的可视化管理。以此为原理建立的交通物流GIS可视化管理系统将是一套智能化的“互联网+高效物流”实现工具,其有效的应用将会大幅提升物流效率,降低物流成本,改善物流企业的管理方式,从而为提升区域经济发挥物流行业自身的有效作用。
参考文献
[1]潘翔.移动GIS多层空间非线性抽稀回溯算法分析[J].河池学院学报,2015(35):62-67.
[2]潘翔.基于GIS的交通物流预警图像传输优化[J].河池学院学报,2014(34):65-69.
[3]祝伟.基于BD/GPS/GIS的物流车辆管理系统的设计与实现[D].长春:吉林大学,2016.
[4]原世伟,景海涛,李伟.基于GIS的现代物流管理系统设计与实现[J].测绘地理信息,2016,41(1):82-86.
[5]刘强.基于GIS的在线物流管理信息系统研究[D].石家庄:河北科技大学,2015.
GIS可视化 篇3
鸟类是生物多样性监测和生态环境影响评价的重要指标, 鸟类物种的组成、数量、多样性和群落等特征可直接反映栖息地的适宜性、生态系统健康与生物多样性状况、人类活动对生态系统的干扰程度、土地利用和景观改变对生态系统影响程度, 以及区域生态环境的质量[1]。鸟类监测是掌握鸟类群落结构和时空分布特征的主要方法, 对于鸟类多样性监测、生态环境评价以及机场鸟击防范具有重要意义。目前, 鸟类监测方法主要有:野外观察法、雷达监测法、环志法和卫星追踪法等[2], 其中以操作简单、便于观测的野外观察法最为常用。然而通过野外观测所获得观鸟数据通常以表格形式 (纸质的或电子的) 存在, 此外观鸟者出于不同的原因和目的, 通常以地名的方式记录观鸟点位置, 这种非空间化的观鸟数据记录方式对于后续的区域鸟类生物多样性、时空分布等分析带来了极大的不便。
GIS可视化技术是目前信息领域中广泛应用的一项技术, 以地理信息科学、计算机科学、地图学、认知科学、信息传输学与地理信息系统为基础, 并通过计算机技术、数字技术、多媒体技术动态、直观、形象地表现、解释、传输地理空间信息并揭示其规律, 具有位置特征、交互性、多维性和可视化多样性等特点[3]。本文旨在通过对观鸟数据的分析, 构建基于GIS的观鸟数据可视化方法, 为区域鸟情动态分析提供技术支持。
1 观鸟数据
1.1 观鸟的界定
观鸟 (Birdwatching) 是指对自然状态下的野生鸟类进行观察和识别的活动[4];从事该项活动的人被称为观鸟者。美国鱼类和野生动物管理局将观鸟者定义为:以观鸟为目的至户外1km或以外的地方出游的人, 或是在户外近距离观察、识别鸟类的人;碰巧看到、去动物园或观赏笼中之鸟的人不包括在内[5]。
1.2 观鸟数据内容简介
观鸟数据主要描述观鸟时间、地点、鸟种、数量以及鸟类行为等信息。观鸟者通过野外定点观测、样线观测等方法获取得到的观鸟数据记原始录形式主要包括野外观鸟记录表、观鸟照片以及观鸟视频等。《中国观鸟数据库》中观鸟记录的属性表共有13个字段, 分别为:编号、目、科、中文名、英文名、拉丁名、发现年、月、日、发现省、发现地和描述[6]。此外, 不同观鸟者出于不同的观鸟目的, 观鸟记录表还可能包含了观测起止时间、数量、行为、飞行高度、飞行方向、飞行路径以及生境类型等属性字段。高性能望远镜、数码相机等观鸟工具的投入使用, 使得观鸟者在进行传统形式观鸟记录的同时, 还可以获得包括高分辨率观鸟照片、视频等形式在内的观鸟数据。
《中国观鸟年报》相关统计表明, 观鸟者出于不同的目的和原因以地名的形式 (如“某地”、“某地至某地”、“某地附近”等) 记录观鸟点位置, 而并不是具体的地理坐标[6]。显然, 这种对观鸟点空间位置模糊化处理方式并不能满足局部区域鸟类时空分布研究对空间位置的精度要求。目前, 获取观鸟点精确空间位置的方式主要有两种:一种是在野外观鸟时通过定位设备 (如手持GPS定位仪、智能手机等) 直接获取观鸟点地理坐标;另一种, 对于利用地名形式记录观鸟点位置情况, 则可以利用GIS软件通过地名-地理坐标匹配方法将观鸟点地名转换为对应的地理坐标。
2 基于GIS的观鸟数据可视化
基于GIS的空间信息可视化过程应包括数据组织与调度、静态可视化、过程模拟、探索性分析等4个过程[7]。根据观鸟数据的特点以及实际应用的需求, 建立基于GIS的观鸟数据可视化方法, 其具体流程如图1所示。
2.1 观鸟数据预处理
预处理的目的就是将观鸟数据空间化。在获取观鸟点地理坐标及鸟类飞行路线之前, 对野外观鸟记录表进行整理, 补全相关属性信息 (如鸟类在中国鸟类野外手册的编号、英文名、拉丁名等) , 最后形成可以连接到GIS空间数据属性表的电子表格 (通常为*.xls类型文件) 。观鸟照片和观鸟视频在工作人员对野外观鸟记录表进行电子化时, 可以辅助校验相关属性记录 (鸟种、数量等) 的准确性。
2.1.1 观鸟点地名-地理坐标匹配
对于以地名形式记录空间位置的观鸟点, 通过地名-地理坐标匹配的方式快速获取其地理坐标, 其实现方法主要有两种:一种是通过在线电子地图 (如百度地图、高德地图以及谷歌地图等) 实现观鸟点地名-地理坐标匹配, 在线电子地图包含了丰富的地名地址库, 通过其提供的地名/地址-坐标查询API (如百度地图的拾取坐标系统API) , 可以快速获得观鸟点地理坐标, 并以文本格式进行保存;另一种则是通过Google Earth (GE) 软件, 利用其搜索功能快速定位观鸟点地理位置, 输出观鸟点kml格式文件。
将观鸟点地理坐标文件 (文本格式或kml格式) 导入Arc GIS软件, 生成观鸟点要素文件 (*.shp) , 连接观鸟点属性表 (*.xls) , 建立观鸟空间数据库, 实现观鸟数据空间化。
2.1.2 鸟类飞行路线建模
基于观鸟记录中的鸟类飞行高度、飞行方向、飞行线路以及观鸟点地理坐标等属性信息, 利用Arc GIS软件构建鸟类飞行路线三维模型, 并导入相关属性信息, 为后续的鸟类活动时空分析做好准备。鸟类飞行路线三维模型的精度直接受观鸟记录的影响。
2.2 观鸟数据分析
2.2.1 观鸟数据统计查询
基于观鸟数据库, 利用Arc GIS软件的统计分析功能可实现研究区范围内不同时间尺度条件下 (年、季度、月以及日等) 不同观鸟点鸟类数量 (不同鸟种数量、鸟类总数等) 的统计查询, 进而分析区域鸟类生物多样性及群落结构特征。
2.2.2 鸟类活动时空分析
局部区域鸟类行为主要包括觅食、栖息、繁殖和飞行等。利用Arc GIS软件将观鸟点要素图层 (包含时间、鸟种、数量、行为等属性信息) 与鸟类生境专题要素图层以及高分辨率遥感影像进行叠加, 分析区域不同时段鸟类种群结构、空间分布以及鸟类活动对生境的依耐性。
受到自然环境、天气状况以及人类活动等因素的影响, 鸟类活动 (觅食、栖息、飞行等) 在局部地区呈现一定的时空分布特性。而观鸟者由于受到观测条件 (天气状况、调查设备以及个人等) 的限制和影响, 所能获取的观鸟数据也是有限的。综合考虑鸟类活动的影响因素以及观鸟数据的可获得性, 根据鸟的种类及数量设定不同时段观鸟点及鸟类飞行路线的影响半径, 利用GIS三维缓冲分析功能分别建立不同时段观鸟点及鸟类飞行路线的三维缓冲区, 并将其与区域其他地理要素进行叠加, 分析不同时段鸟类活动对区域范围内其他地理要素的影响。
2.3 观鸟数据可视化
观鸟数据可视化成果主要以专题图和微视频的形式进行呈现。在观鸟数据统计查询和分析的基础上, 根据分析结果的分级、分类特点, 选择相应的视觉变量 (如形状、尺寸以及颜色等) , 以专题图的形式直观地呈现区域鸟类物种多样、时空分布等信息。鸟情普查微视频则是将专题图与观鸟照片、观鸟视频及其他素材进行有机整合, 并配以生动有趣的背景音乐和旁白, 以微视频的形式直观生动地呈现了区域鸟情调查工作进展情况及研究成果。
2.3.1 鸟类生境专题图
“生境” (Habitat) 是生物体或生物群体自然分布的地方或地段, 它不仅是生物生活的空间, 而且包括其中全部生态因素的综合体[8]。利用遥感影像处理软件 (ENVI 5.0) 解译区域高分辨率遥感影像, 获取鸟类生境类型空间分布情况, 并利用观鸟记录中不同观测点的鸟类生境类型信息检验解译结果;利用Arc GIS软件制作、输出区域鸟类生境专题图。
2.3.2 鸟类时空分布专题图
鸟类时空分布专题图是对鸟类时空分析结果的可视化呈现。通过将不同时段各观鸟点鸟类数量统计图表与鸟类生境专题图层在高分辨率遥感影像上进行叠加显示, 直观地呈现调查区域鸟类时空分布特征;而不同时段不同鸟类飞行路线与区域其他地理要素以及高分辨遥感影像叠加显示, 可进一步呈现了不同时段鸟类飞行对区域其他地理要素的影响。
2.3.3 鸟情普查微视频
采用操作简单的视频编辑软件Corel Video Studio X6 (即会声会影) 对观鸟照片、观鸟视频、各类专题图、背景音乐和旁白等素材进行编辑、处理和合成, 最后输出微视频。图2所示为鸟情普查微视频片段, 画面中显示为2012年02月21日16时44分鸬鹚从厦门飞往金门 (夏金海域鸬鹚的主要栖息地) , 画面右下方为厦门地区Spot5遥感影像, 红色箭头指示鸬鹚飞行方向, 视频通过动态标注和闪烁方法利用观鸟照片、观鸟视频突出显示观鸟信息, 并辅以旁白和说明性文字字幕增强信息表达效果。
3 总结
本文提出了一种基于GIS的观鸟数据可视化方法:通过GIS空间分析方法对空间化的观鸟数据进行统计、分析, 提取区域鸟类生物多样性、时空分布等信息, 最后通过专题图和微视频等可视化形式呈现统计分析成果。实例证明, 该方法对于进一步了解掌握区域鸟类生物多样性、时空分布具有重要意义。
摘要：在分析观鸟数据特征的基础上, 提出了基于GIS的观鸟数据可视化方法 。该方法利用GIS通过地名-地理坐标匹配与转换的方式将观鸟数据空间化, 建立观鸟数据库;在观鸟数据库的基础上, 利用GIS空间分析功能获取区域鸟类生物多样性、时空分布等信息, 最后输出以专题图和微视频为主要形式的可视化成果。实例证明, 该可视化方法对于分析区域鸟情动态具有实用价值。
关键词：观鸟数据,GIS,可视化,专题图,微视频
参考文献
[1]斯幸峰, 丁平.欧美陆地鸟类监测的历史, 现状与我国的对策[J].生物多样性, 2011, 19 (3) :303-310.
[2]马志军.鸟类迁徙的研究方法和研究进展[J].生物学通报, 2009, 44 (3) :5-8.
[3]陈生, 曾行吉, 梁军.基于GIS的统计数据可视化研究[J].计算机工程与设计, 2008, 29 (14) :3757-3759.
[4]Sekercioglu C H.Impacts of birdwatching on human and avian communities[J].Environmental Conservation, 2002, 29 (03) :282-289.
[5]程翊欣, 王军燕, 何鑫, 等.中国内地观鸟现状与发展[J].华东师范大学学报 (自然科学版) , 2013, 02:63-74.
[6]李雪艳, 梁璐, 宫鹏, 等.中国观鸟数据揭示鸟类分布变化[J].科学通报, 2012, 57 (31) :2956-2963.
[7]刘纪平, 常燕卿.空间信息可视化的现状与趋势[J].测绘学院学报, 2002, 19 (3) :207-210.
GIS可视化 篇4
地理信息系统GIS是计算机科学、地理学、测量学和地图学等多种学科交叉的产物。它以空间数据库为基础, 实现地图可视化及空间分析[1]。为便于隐蔽设施管理, 运用GIS技术, 建立通信线路和节点的可视化管理系统, 从而为通信基础设施的管理、维修和维护提供极大方便。
在传统的网络管理中, 往往用拓扑图中两点间的直线来表示线路连接, 不能反映出通信线路的实际地理走向情况。但事实上, 有70%左右的网络故障是由跟物理层有关的线路故障引起的。对线路管理, 主要以传统图纸或CAD图纸的形式加以保存, 缺乏有效手段和合适的商业软件。因此本文在GIS平台上开发适用于园区通信线路管理的系统, 以开辟园区通信线路管理的新方法。
1GIS和其相关技术介绍
1.1GIS主流平台技术介绍
目前, 市面上已经出现一批GIS的软件开发商, 如ESRI、Intergraph、MapInfo以及国内的一些GIS软件开发厂商等。
它们开发的主流GIS平台软件主要有:ESRI公司的Workstation ArcInfo和Desktop ArcInfo;Intergraph公司的MGE和GeoMedia;MapInfo公司的MapInfo Professional以及二次开发用的Mapbasic;以及国内地质大学开发的MapGIS、武汉测绘科技大学的GEoStar和北京大学的CityStar。这些软件, 提供了相似的功能集合, 不同之处在于其具体的实现方式 (如用户界面、操作流程) 和操作效率 (如速度、数据量) 。
但这些软件都只含通用GIS功能。对特定GIS应用, 如针对园区通信光缆管理的GIS应用, 都需要在这些平台基础上再次进行二次开发。因为MapInfo公司有比较成熟的二次开发工具Mapbasic, 所以在本系统中, 主要采用MapInfo公司的产品。
1.2图层和对象的建立
在MapInfo中, 对地理信息的参数属性是通过可视化来实现的。图层可视为透明, 上下叠加在一起, 构成了整个地图不同方面的信息。
每一个图层上包含有不同的对象信息, 对象的构成方式有点、线、面三种方式[2]。在MapInfo中用如下方式对这些对象进行描述和组织:
点:用一对坐标点表示, 即点 (x, y) 。
线:这里的线不单单指直线, 更包含广义上曲线, 用一串有序坐标对进行表示, 即线{ (x1, y1) , (x2, y2) , …, (xn, yn) }。
面:与曲线表示方式类似, 只不过是用一串头尾坐标相同的有序坐标对表示, 即面{ (x1, y1) , …, (xn, yn) , (x1, y1) }。
除了普通的图层之外, 还有一种特殊的图层被称为专题图层。与普通图层是通过表格读取属性信息不同的是, 专题图层把表格中各类参数属性值用不同形状、不同颜色的点、线、面来表现, 或者生成各类饼状图、柱状图来进行更好的统计。
在这些图层中, 地图图层是构成MapInfo地图的基础构件模块。所有图层可以相互叠加、排序、隐藏、增减或对其重新排序, 以达到最直观的可视化观察效果。
2系统架构、功能模块和数据设计
2.1系统架构设计
系统将空间数据库和后台关系数据库相统一, 将在MapInfo Professional平台上的各类型地理信息数据共享, 实现GIS通用的基本功能。同时, 利用MapBasic工具进行一些特定功能的二次开发。最后, 利用GIS的专题统计功能, 实现对各数据的查询统计, 并用直观化图例显示出来。其基本结构图如图1所示。
基于GIS的园区通信光缆管理系统大致可以分为两个大模块:GIS平台模块和数据库模块。其中数据库模块又可以分为空间数据库模块和后台关系数据库两个子模块。
(1) 空间数据库模块
空间数据库主要保存的是图层对象信息, 包括每一个对象的坐标信息和编号信息。在GIS平台中, 各种类型的数据主要以图层的形式出现, 每个图层代表一种数据类型 (例如代表光缆、光纤配架等) , 这些图层相互叠加, 共同构成了需要查看的地理信息。
(2) 后台关系数据库模块
后台关系数据库表对那些空间数据库表起着连接关联表的作用, 把整个系统数据构成了一个整体。此外, 关系数据表也用来保存一些非图像信息。
(3) GIS平台模块
当各类型数据以图层形式出现在GIS平台上之后, 就可以利用MapInfo Professional进行一些简单的查询操作, 调用MapInfo本身的模块来实现一些简单的地图操作。
但是, MapInfo本身自带的模块只能实现一些简单通用的GIS操作, 对通信光缆管理特需的GIS操作, MapInfo并不具备。因此需要针对通信光缆管理的特点, 设计特定的功能, 利用MapBasic语言进行二次开发来实现。
利用GIS平台使得生成查询统计图十分方便。在管理系统中, 经常需要对各种类型的数据进行查询统计, 生成图表。在MapInfo平台中, 有一个被称为“专题图像”的功能, 它就是用来生成各类查询统计图表。根据对图层对象表中某一属性的不同值而指定对象的不同颜色、图案或符号, 或者自动生成统计图表 (如饼状图、柱状图等) , 利用图形化使人一目了然。
2.2功能模块设计
(1) 各类数据导入
在MapInfo下的数据主要分为地理信息和地理信息两类, 分别对应MIF格式和MID格式文件, 两者之间通过相同的对象ID编号而联系起来。数据输入即可以通过手工输入, 也可以通过从别的数据库表转换成MID/MIF格式而来。
(2) 基本功能设计
在数据输入完成的基础上, 就可利用MapInfo平台来实现一些基于GIS管理系统的通用操作。主要实现地图的显示、放大、缩小、漫游、距离测算, 图层的增减、修改、排序, 对象信息的查询、修改等。
(3) ODF配置、光缆光纤、管道管孔和管道人井信息显示
很多时候, 复杂对象是由几个子图层共同构成的。平时通信光缆管理中, 为了整个工作画面的整洁, 在园区地图上往往只是用一个简单的点、线、面来表示, 而把它的整个复杂结构隐藏起来, 只在需要时通过点击对象获得其内部结构具体信息。
通过MapBasic的二次开发, 系统能实现察看光纤配架内部各端孔的配置信息, 光缆内光纤的占用情况, 管道内管孔的使用情况和管道所经过的人井信息。
(4) 实际路由查找
在基于GIS的园区通信光缆管理系统中, 很重要的一大功能是需要查找抽象拓扑图对应的实际光缆走线。具体又分为两类:星形结构光缆查找和两点间实际光缆路径查找。对于前者, 主要是选中一个光纤配架, 然后查看此点所连接所有光缆。这对于架设新网络时, 把新节点就近加入到原有网络中, 具有参考价值。对于后者, 主要通过选中两点, 然后查找它们的实际光缆连接路径。这在网络维护中经常需要用到。两种查找都需要用到路径分析算法, 都是以图的数据结构为基础, 以广度优先算法 (BFS) 为基础并加以优化。
2.3数据设计
园区光缆管理系统的基础是各类数据的采集。在系统整体设计时, 需要对各类型数据进行分析, 需要哪些类型数据, 舍弃哪些类型数据。取用数据类型过少, 则可能信息表示不够清楚。取用过多, 则信息输入量过大且系统复杂不易用。而且针对每种类型的数据, 选取哪些属性值, 同样需要加以考虑取舍。而且在考虑设计通信光缆系统时, 不单单要考虑通信光缆本身的属性, 例如配线架、光缆、光纤等, 还要考虑与其相关的属性, 例如园区整体规划图, 管道图, 人井图等。
对基于GIS的系统平台来说, 数据设计是一个系统的基础, 设计良好的数据结构并将数据导入, 系统架构基础就已经建立, GIS系统平台就能搭建并能实现基本的地理信息查阅功能。在基于GIS的园区通信光缆管理系统中, 主要存在着以下几层:
(1) 地图图层
是所有GIS图层的基础, 需要对栅格地图矢量化后才能导入, 通过任取不在同一直线上三点, 确立一个坐标系, 来完成地图的矢量化。在本系统中, 采取园区左上方点作为坐标原点。
(2) 光纤配架图层
每个光纤配架图层背后, 隐藏着若干个单元框, 形成单元框子图层。每个单元框又包含着数十孔的光纤配架端口, 形成端口子图层。这些子图层平时隐藏, 只有通过点击某一光纤配架, 需要具体显示其具体结构时才显现。这些表之间都通过外键相互连接起来。
(3) 光缆图层
光缆的属性表如表1所示。在光缆图层背后, 还隐含着光纤关系数据库表, 光纤对象共享光缆对象的空间地理信息。通过光纤数据表中的“所在光缆”属性, 把光纤对象和光缆对象统一起来。
(4) 人井图层
显示的是其在地图上的地理位置和其本身的ID编号。
(5) 管道图层
和光缆图层类似, 因为一个管道由若干个管孔共同构成, 因此包含着管孔子图层。平时隐藏, 在需要时点击管道显示其具体信息。
3系统实现
图2是系统的地图区域显示图 (部分) 。从图中可以看出, 地图、光缆 (橙线和红线, 本文打印分别用细实线和点划线表示) 、光纤配架 (矩形) 、人井 (含叉圆) 等图层都显示在可视化界面中。
在系统选中两个光纤配架后, 点击“选取两点间实际路由”功能按钮, 其实际连接的光缆线路就用红线 (点划线) 表示了出来。从图2中可以看出, 光缆的实际走线是一个“几”字形走线 (点划线) 。如果不是用GIS平台把线路实际显示出来, 在抽象拓扑图下很难包含此类信息。
在选中某一光纤配架点击后, 弹出一个新窗口 (如图3所示) , 显示的是某光纤配架的框架结构图。系统自动把选中光纤配架的单元框层数、单元框内端孔的规格用图形化方式显示了出来。其名称自动显示在窗口标题栏中, 每一层代表一个单元框, 淡黄色孔代表单膜光纤端口, 橙色孔代表多膜光纤端口, 白色表示为未用备用端口。 (在黑白打印版中分别呈现淡灰色、灰色和白色) 把鼠标移到某一端口上, 系统就能显示此端口的主要信息。利用可视化, 达到了简单方便查找的目的。
其他功能如某光纤配架的连通光缆查找, 光缆内光纤的占用情况, 管道内管孔的使用情况和管道所经过的人井信息查询, 限于篇幅, 不一一阐述。
4结论
随着园区规模的扩大, 手工的、分散的通信光缆管理越来越不能满足通信系统管理的需要。本文研究了将GIS引入到通信光缆管理系统中实现可视化的实用性。利用MapInfo的GIS平台和MapBasic语言的二次开发功能, 开发了适用于园区的基于GIS的通信光缆管理系统, 实现了系统的快速和廉价开发。
目前, 系统是基于MapInfo平台上的。事实上, 利用MapInfo的产品MapX, 完全可以把GIS平台独立集成到自己开发的VB或者VC系统中, 这样就大大加大了系统的扩展性, 这也是下一步的研究工作。
摘要：研究将地理信息系统GIS (Geographical Information System) 引入到园区通信光缆管理系统中实现可视化的主要技术问题。设计一个基于GIS的园区通信光缆管理系统并实现其初步开发, 介绍该系统的整体设计架构和实现。
关键词：通信光缆管理,可视化,GIS,Maplnfo
参考文献
[1]Zhenyuan Wang, Danny E.Julian, Martin Bass.Interpreting GIS Data for Operation and Control of Distribution Networks.Power Systems Con-ference and Exposition, 2004[C].IEEE PES10-13Oct.2004, (2) :907-912.
[2]刘宇, 齐昕, 朱仲英.基于GIS的配电网调度可视化研究[J].计算机工程, 2000, 26 (2) :30-31.
GIS可视化 篇5
可视化技术是指将数据和信息转化成人们可以直观认知的表格、色彩、多维图形、图像、动画等形式, 使数据的内容形象、生动、清晰地呈现于计算机屏幕上, 并能进行交互处理的理论、方法和技术。其研究包括两方面的内容:一方面研究如何把数据转化成可视的图形 (图像) 与可理解的信息的工具, 即研究数据的表现与显示, 属于可视化技术的纵向技术层面;另一方面研究把可视化技术应用于科学和工程的各个学科, 属于可视化技术的横向应用层面。可视化技术的研究涉及到计算机图形学、图像处理、计算机视觉、计算机辅助设计、信号处理、用户界面研究等独立而又相关的领域。
可视化概念首先来自科学计算可视化 (Visualization in Scientific Computing) , 科学家们不仅需要通过图形图像来分析由计算机算出的数据, 而且需要了解在计算过程中数据的变化。这就诞生了可视化的第一个分支——科学可视化 (Scientific Visualization) , 它侧重于科学和工程领域数据的可视化问题。随着计算机技术的发展, 可视化概念大大扩展, 它不仅包括科学计算数据的可视化, 而且包括工程数据和测量数据的可视化。学术界常把这种空间数据的可视化称为体视化 (Volume Visualization) 技术, 体视化技术成为了可视化的第二个分支。
2 海洋水文数据可视化表达方法
海洋水文学是运用海洋水文学的原理和方法来研究海水的物理性质和海洋中风、浪、流的活动特点及其运动变化过程与规律。海洋水文观测数据是海洋水文学研究的主要依据。
现阶段, 我国的海洋水文观测数据的获取主要有海洋台站观测、船舶观测和国际资料交流等几种方式。获得的数据主要包括以下几方面内容。
2.1 海水的基本特性信息:表层海水的盐度, 温度和密度
2.2 海洋风浪流信息
(1) 海风:风速, 风向。
(2) 海浪:波浪高度, 波浪方向, 波浪速度。
(3) 海流:流速, 流向。
2.3 海洋环境专属信息:潮汐潮位等
海洋水文观测数据内容繁杂, 格式多样, 仅海洋观测数据的格式就多达20种, 海洋环境数据管理部门借助于可视化的技术手段, 在这些无形的观测数据之间建立联系, 并用图的形式表现现象和规律。
海洋水文信息可视化所成图, 按照不同的标准, 可进行以下两种分类。
(1) 依据海洋环境特征或现象的描述方式, 我们可以将图划分为静态图和动态图两种类型。
静态图:针对一些特征现象进行统计分析, 用固定的统计图表、统计图的形式表现。通常在海洋信息领域, 使用较多的统计图表有折线图、柱状图等形式, 统计图则多采用饼图、风玫瑰图等形式。饼图、风玫瑰图等量化图形工具, 往往都是以地理海图为背景, 这样不仅可视化地表现出海域的空间分布特征, 而且突出了不同观测点的观测数据之间的差异性和对比性。
动态图:用以描述复杂的海洋动态变化现象。即将动态变化过程按照时间序列有序地展示, 变化过程的表达或者借助于色彩、符号的变化, 或者借助于依时间顺序地图序列的依次显示。通过这些手段来表现海洋水文特征现象随时间的演变过程。
(2) 按照所表达信息的维度特征 (包括时空维度和要素维度) , 可以将图划分为一维图, 二维图, 三维图, 多维图几种类型。
一维图:表示某一海洋专有属性值随一维时间或空间特征的变化而变化的统计图。如点图、曲线图、折线图等。
二维图:表示某一海洋专有属性值随二维时空特征的变化而变化的统计图。如二维平面分布图、二维断面分布图等。
三维图:用 (X, Y, Z) 三维坐标来表示要素的三维特征。不仅包括一般意义上的三维图概念, 即第三维Z值表示地形高度值, 这里还特别提出一种栅格三维表现图, 用于直观地表示海洋表面观测值的3D景观。通常, 第三维的数值由所要表示的海洋水文气象特征的属性值提供。属性值的值域跨度越大, 相应的三维图的立体感越强, 其量化表现力也就越强。
多维图:主要用于表达区域内某几个要素特征的分布与统计状况。它同时结合了时空维度和要素维度, 所表达的信息维度在三维以上 (不包括三维) , 如玫瑰图等。通常, 将数据转换成图形图像并显示出来之后, 还需要在图上标记原数据或统计数据 (以数字和文字的方式存在) 以作说明, 特别的如注记, 则需要进行修改等交互操作。这也成为信息内容可视化表达的一方面。
3 基于GIS的海洋水文数据可视化
虽然可视化技术的使用简化了人们对复杂实体和对象的认知过程, 但是对于处于特定地理空间内或者与特定地理空间紧密关联的特征和现象, 其本质和规律的科学揭示则必须借助于相关地理特征的表达。为此, 人们将GIS技术引入可视化领域, 以期通过符号化、图形化、直观化的地理信息表达来增强和深化可视化表现的效果和功用。
通俗地说, 基于GIS技术的可视化属于空间认知范畴, 它借助可视化工具将文字符号描述的数据变成了形象生动的图形表示。这种符号既易于人脑记忆、辨别、分析, 又能被计算机识别、存储、转换、输出。这样实际上建立了认知科学与地理信息表达的必然联系, 因为地理信息表示和传输的主要形式之一就是符号。而将认知科学的原理和方法运用于基于GIS技术的可视化表达, 也具有一定的指导意义。与传统意义上的数据可视化相比, 基于GIS技术的可视化的特征主要体现在以下几个方面。
(1) 空间性属于地理信息范畴的信息都具有明显的空间特征, 基于GIS技术的可视化表达与一般的可视化表达的根本区别在于前者突出地体现了信息主体所处的空间和范围, 更生动巧妙地将信息主体与地理空间特征结合了起来。
(2) 交互性是基于GIS技术的可视化系统向用户提供灵活有效的控制和使用地理信息的手段和方法, 也是该类系统实用化和推广应用的重要前提。
(3) 空间信息的表达具有多种媒体形式, 如数值、文本、图形、图像、声音、动画、视频、三维仿真以及虚拟现实等, 借助多种媒体形式的有机结合和整体集成, 才能达到完整、合理地表达并传输地理环境信息, 从而以多形式、多视角、多层次综合地表现地理环境特征, 更好地实现可视化的功能。
(4) 信息表示的动态性。在地理信息系统中, 在地理数据库中引入时间维, 通过对时间维的描述, 借助可视化方法可直观地表达带有空间信息的特征与现象的动态变化。
运用GIS技术实现可视化表达, 将有助于人们观察和研究各种自然现象与社会现象的空间分布, 获取新知识, 进而找到以往难以发现的规律, 因此这种数据表现方式经常被一些以与地理空间信息相关的特征或现象为表现内容的可视化系统建设所采纳。
本文以SQL Server2000数据库对海洋水文数据进行管理, 建立了海洋水文信息系统, 基于GIS技术对海洋水文数据进行可视化表达。
(1) 海流矢量图 (图1) 。
海流矢量图以矢量的方式描绘观测到的各时刻海流的方向和速度。每个观测站点共绘制13条海流矢量, 表示一天中13个不同的观测时间:123456表示主港前六个小时, 0表示主港时刻, 后面的表示主港后六个小时, 用罗马数字表示。
(2) 断面悬沙直方图和输沙矢量图。
断面悬沙直方图以统计直方图的形式表现观测站点大小潮时潮水中的含沙量信息。断面悬沙直方图提供了某站点大小潮输沙量的对比信息, 其与输沙矢量图叠加, 将给读者提供更为丰富的泥沙运移趋势信息, 从而判断该海域的泥沙来源, 输运方向和海底冲淤变化。输沙矢量图的绘制方法与海流矢量图一致。
4 结语
21世纪是海洋的世纪。掌握海洋的活动规律, 调查海洋资源及促进海洋合理开发利用, 是有效解决人口膨胀、资源短缺和环境恶化等系列难题的可靠和重要途径并已成为当前高科技发展的迫切任务[4]。
本文基于GIS技术对海洋水文数据的管理和可视化方法进行研究, 开发了海洋水文信息管理系统, 实现了数据管理、地图浏览、信息查询、水文专题地图自动绘制等功能。本文为海洋水文数据的科学管理和可视化提供了有效方法, 是“数字海洋”工程建设中的有益探索。
摘要：本文基于笔者在流域水文数据可视化方面的相关研究。推而广之, 提出对海洋水文数据的可视化思路方法, 针对海洋水文数据的类型和可视化方法进行了分析, 并基于GIS技术实现了对海流数据和含沙量数据的可视化表达, 绘制了海流矢量专题图和断面悬沙专题图。
关键词：海洋水文,GIS,可视化,海流矢量图
参考文献
[1]周海燕, 苏奋振, 艾廷华, 等.海洋地理信息系统研究进展[J].测绘信息工程.2005, 30 (3) :27.
[2]Millington Lockwood, LI Rongxing.Marine geographic information systems what sets them apart[J].Marine Geodesy, 1995, 18, 157～159.
[3]韩鹏.地理信息系统开发MapObjects方法[M].武汉大学出版社, 2004:162～167.
GIS可视化 篇6
土地资源是人类赖以生存和发展的物质基础, 是不可再生的自然资源。土地的总面积是有限的, 同时, 一定区域内不同利用方式的土地也是有限的。我国是一个农业大国, 人口众多, 土地资源分配不平衡, 山地、丘陵多, 平地较少, 后备耕地资源不足且耕地质量差。20世纪90年代, 我国城市化进程加快, 为了满足城市发展用地的需求, 大量耕地被征用转为建设用地, 致使耕地流失严重, 给我国的粮食安全和土地的可持续利用带来了不利的影响。
土地整理能有效地增加耕地面积和提高耕地质量, 改善农业生产条件, 成为新时期协调人地关系, 缓解人地矛盾, 促进土地利用动态平衡的主要措施, 受到政府的高度重视。土地整理是一项复杂的系统工程, 可分为前期研究阶段、规划设计阶段、施工设计阶段, 以及工程施工阶段。在整个过程中涉及自然、经济、社会等诸多因素, 需要多技术支持。近年来, 国内的一些学者对土地整理及其规划技术进行了大量研究, 改进了传统的整理方法, 促进了土地整理体系的建立和完善。
GIS技术作为计算机空间科学的一个分支, 在计算机技术快速发展的背景下也有了突破性的发展, 其强大的空间分析功能, 空间插值等功能, 在土地评价、土地利用规划、土地分等定级等方面得以广泛的应用。近年来, 众多学者开始研究将GIS技术引入到土地整理过程中, 使土地整理在GIS平台上直接进行, 借助于GIS技术的图形编辑功能和空间分析功能建立虚拟地理环境可视化模型, 使土地平整、农田水利、道路、其他土地整理规划设计直接在可视化模型下进行并取得了良好的效果。
可视化技术作为一门新兴的实用技术, 由于能直观、动态、多角度地表达地学现象, 已在城市设计、水土保持、土地监督、土地整理等领域发挥着日益重要的作用。它不仅可以应用到土地整理的规划设计阶段, 还可以应用到土地整理潜力评价和土地整理效益评价当中。目前已有一部分学者研究将可视化技术运用到这两个方面并且取得了一些成就。本文是关于可视化技术在土地整理运用方面成果的总结。作者希望, 本文不仅为读者提供有关土地整理可视化研究成果的综述, 让读者了解可视化技术在土地整理过程中运用的方法, 还能从中找出可视化技术在土地整理中运用的新方法, 拓宽可视化技术在土地整理中的运用方式。
二、国内外研究概况
(一) 境外研究现状概述
土地整理的概念首先出现于德国巴伐利亚王国的法律中, 德国、法国、前苏联、加拿大沿用至今, 日本称为土地整治 (整备) 、台湾称为土地重划。
各国学者从不同的角度对土地整理做出不同的定义, 同时各国土地整理的任务与研究内容的侧重点也有所区别。德国的土地整理工作在19世纪主要是将分散、零碎的农地集中连片, 改善农业生产和劳动条件;20世纪90年代, 土地整理趋于综合化, 以自然资源和人文景观合理规划协调农业利益与自然保护和景观保护集中于一体。在土地整理可视化技术方面, 由于国外的GIS技术发展较早, 空间分析与图形编辑功能改进较快, 德国在此基础上以GIS为开发平台建立了土地整理信息系统, 将土地整理各种数据、图件和权属状况等资料存储于该系统, 实现了对土地整理数据与图件的可视化查询与编辑、分析等操作。此外, 近年来三维GIS概念的提出, 使可视化技术在土地整理中运用趋于三维图形的显示, 土地整理的各种数据也可以在三维GIS技术的支持下实现3D分析。
(二) 国内研究现状概述
我国是开展土地整理最早的国家之一。我国殷周时期的井田制, 以及后来的屯田制, 北魏时期的均田制可以视为土地整理的雏形。国土资源部将土地整理定义为:按照土地利用总体规划与城市规划所确定的目标和用途, 采取行政、经济、法律、工程技术手段, 对土地利用现状进行综合整治、调整改造, 以提高土地利用率, 改善生产、生活条件与生态的过程。我国的土地整理工作的开展主要集中在农地整理, 解决农业生产中的土地利用问题, 改善农业的用地环境, 从而提高农业用地的利用率、产出率, 维护景观、生态环境的平衡。
目前我国可视化技术在土地整理的运用主要是借助计算机辅助制图 (CAD) 软件实现的, 单体设施施工图主要是与相关行业的专家协同工作绘制的图形。预算则是根据规划和单体设施工程一起计算得到的结果。但是GIS技术的成熟与快速发展及在交通、电力、电信、城市规划等方面的成功运用, 使一些学者开始研究把土地整理建立在GIS平台上实行操作。其中一部分学者把土地整理规划设计的基础数据、规划成果, 通过GIS二次开发建立特定的空间信息系统, 分图层、分区域, 形象地显示地理数据, 并运用空间分析可视化技术, 直观显示分析过程, 为土地整理提供了辅助决策。此外, 国内的一些先进的学者在接触到三维GIS的理念后开始研究土地整理的三维可视化, 通过获取的整理区的地理数据进行3D分析建立整理区数字高程模型, 再在此模型上进行分析整理操作, 最后重建数字高程模型, 显示整理后的土地利用状况。这种技术目前来说在国内应用还较少但却是以后土地整理可视化的发展方向, 并且这种可视化技术能很好地、直观地、动态地、真实地显示整理后的状态, 对土地的整理工作提供了很大的帮助和支持。
三、相关文献回顾
当前可视化技术在土地整理中的应用总体上可以分为两个方面:即土地整理三维可视化和二维可视化显示。其中三维可视化在土地整理中的应用还处于刚刚起步阶段。而二维可视化技术却已经应用在了土地整理潜力评价、土地整理适宜性评价和土地整理规划设计中, 下面就对以上几种可视化技术在土地整理中的应用进行相关回顾。
(一) 土地整理潜力评价可视化
这种整理潜力评价可视化的大致方法为先把土地整理综合潜力分为三步进行。第一是整理区景观改善潜力可视化表达与分析。运用ARCGIS软件的叠加分析将核心景观区、一般景观区、缓冲区需要整理的耕地进行叠加, 用遥感影响分析植被指数, 根据设定的评分标准对各区域耕地进行景观改善评分。第二是耕地提高潜力可视化表达与分析。耕地质量提高评分体系根据实地调查的数据与预期理想粮食产量的差值来评分。运用Field calculate计算各村耕地质量提高潜力分值, 根据评分结果绘制耕地质量提高潜力分析图。第三是耕地面积增加潜力可视化表达与分析。按照耕地的坡度 (<2度, 2-5度, >5度) 分别选取典型样区, 调查耕地中其他农用地之和占耕地面积的比例, 以及整理后其他农用地面积之和占耕地面积之比例, 以耕地面积增加比例为依据设定评分标准, 根据评分结果绘制耕地面积增加潜力分析图。随后整理地块的不同位置, 引进专家决策意见给各评价因子赋予权值, 然后对各评价因子进行加权叠加, 结果为土地整理综合潜力评分, 根据评分结果绘制土地整理综合潜力分析图。最后提取整理区的高程点, 运用ARCGIS中ARCTOOL BOX模块中的3D分析功能, 建立TIN生成整理区DEM, 选择土地利用现状图, 土地整理规划图遥感影像作为纹理, 根据三维显示需要设定颜色。这样土地整理的综合潜力就在三维地形图显示出来了。
(二) 土地整理适应性评价可视化
整理适应性评价化的基本方法是将整理区的的等高线进行栅格化处理, 接着利用ARCGIS对高程点文件进行插值处理, 然后用ACTOOL BOX模块下的3D分析对已经进行过插值过的高程数据进行处理生成整理区的数字高程模型, 这就为土地整理适宜性评价提供了依据。根据整理区的现状, 对整理区进行栅格化处理, 按照一定的标准划分栅格单元, 每个栅格单元作为土地整理潜力评价单元, 接下来根据整理区的具体条件确定整理土地的主导制约因素, 建立适宜性评价因子。对整理区土地利用现状图数字化, 然后对数字化的数据栅格化, 以便于加权评价。在获得各评价因子栅格数据的基础上利用ARCGIS软件根据评价模型对各评价单元进行空间叠加运算。利用ARCGIS重分类功能将土地整理的适宜性分为基本适宜 (>75) 、度适宜 (50-75) 、临界适宜 (25-50) 和不适宜 (<25) , 根据分级标准统计各评价单元土地整理适宜等级, 并生成评价结果图, 这样整理区内不同适宜等级和不适宜的就可以显示出来。
(三) 三维可视化在土地整理规划设计中的应用
这种三维可视化的土地整理规划设计可以模拟出整理规划后的地物场景, 具有较强的立体感、真实感。其主要的方法是提取整理区的高程点, 在ARCGIS的ARCTOOL BOX模块下用3D分析创建TIN生成整理区的数字高程模型, 然后按照田、水、路、林、村分类进行整理规划设计。在农田平整中调用出已经建立好的TIN文件, 以规划后每个田块的ID号作为划分TIN文件的单位, 从数字高程模型中读取待平整田块的高程值, 计算平均高程作为田块的理想高程, 通过ID号检索待平整区域, 以设计田块的高程值对待平整区域的高程点的属性值进行修改, 修改后重建TIN就得到了农田平整后的数字高程模型。道路与沟渠设计的实现, 在ARCTOOL BOX模块下调用整理后的道路和沟渠的线数据, 运用空间分析的功能对线数据进行加宽使其变为面数据, 然后在ARCSCENE中将缓冲区分析后的道路和沟渠数据加载到TIN表面。这时要对道路的基础高程进行选择, 选择TIN作为它的基础高程。然后生成整理后的数字高程模型, 最后调用三维符号库里的符号对重建的数字高程模型表面上的地物进行替换, 这样就形成了整理规划后的三维立体景观图。
四、结论
上述的三部文献都建立了整理区的数字高程模型, 很好地模拟出了整理区的地形状态, 为项目的进行提供了可靠的依据。在第一部文献中, 作者将可视化的技术引入到了土地整理潜力评价当中, 不仅实现了评价过程的可视化, 还实现了评价结果的可视化, 不仅实现了评价结果的二维可视化, 还实现了评价结果的三维可视化, 这种设计方式很好地直观地显示了整理区内整理潜力的高低, 对整理工作具有重要的指导意义。在第二部文献中, 作者将整理区的三维平面图形进行栅格化的处理划分成评价单元, 并且通过实地调查选取了影响项目区整理工作的限制因素和主要的评价因子, 并且通过评价模型对评价因子进行分析, 得出了每个评价单元的适宜程度, 而且通过二维图形显示出来, 这种方法很好地将整理区的适宜程度展现在二维平面图上, 但是没有实现评价结果的三维可视化。因此, 三维可视化技术在土地整理适宜性中的应用是这方面的研究方向。上述的第三个文献中作者打破了传统的利用CAD进行整理设计, 而是运用ARCGIS建立整理区的数字高程模型, 在模型中进行整理设计。特别是在田块整理过程中打破了传统的只能设计田块形状的束缚, 在数字高程模型下进行田块的整理不仅可以整理其形状还可以进行田块平整, 并将结果以三维图形的形式显示出来, 直观动态地看到整理后的田块的形状和高度。此外, 对于道路沟渠的设计, 通过空间分析将其转换成了面状文件并加载到数字高程模型中, 打破了传统中只能用线文件表示沟渠和道路的束缚, 在数字高程模型中很真实地模拟出了道路的路面状况。这些创新的设计都是值得我们学习的地方。数字高程模型的建立可以很直观、动态地模拟出项目区的地形起伏状况, 为整理工作提供了可靠的依据, 上述的三篇文献中也都在项目开始时构建了数字高程模型, 可见三维可视化技术在土地整理方面的应用是今后此方面的研究热点和重点。
参考文献
[1]李睿璞, 卢新海, 马才学.基于GIS的农用地整理三维可视化[J].农业工程学报, 2010, (5) .
[2]许榕焓, 张海涛, 陈家赢.基于GIS与虚拟现实技术的土地整理规划研究[J].数学的实践与认识, 2010, (4) .
[3]李睿璞.基于RS、GIS土地整理的应用研究[D].武汉:华中农业大学, 2008.
[4]孙华生, 郭熙, 李耀兰.基于GIS的耕地整理潜力分析[J].广东土地科学, 2004, (2) .
[5]陈家赢.基于虚拟地理环境三维可视化模型的农用地土地整理规划设计[D].武汉:华中农业大学, 2007.
[6]贾明超, 李满春, 王宋辉, 符海月, 陈振杰.可视化技术在土地整理规划中运用———以韶山市为例[J].安徽农业科学, 2007, (21) .
GIS可视化 篇7
1 Surpac Vision软件的主要特点
1.1 三维图形系统。
Surpac Vision包括了整套三维立体的块体建模工具, 自动绘图功能可以三维方式创建图形, 也可以从旋转的二维图形中得到, 用户可以多角度观察图形。
1.2 二次开发。
Surpac Vision软件中宏命令/脚本语言是整个功能系统的基础, 以Surpac Vision为开发基础, 用户可以开发自己的应用程序, 脚本语言是公共的TCL语言。
1.3 资源共享。
Surpac Vision具有客户服务器结构, 客户就可以在世界上任何地方通过网络来使用这个软件。Surpac Vision的资源共享功能也使得不同地点的多用户可以通过网络和单一用户部门取得联系, 用户可以更方便地获得有关技术专家的技术帮助。
2 Surpac Vision软件与地理信息系统 (GIS)
GIS是反映各类空间数据及描述这些空间数据特征的属性, 在计算机软件和硬件的支持下, 以一定的格式输入、存储、检索、显示和综合分析应用的技术系统。它的基础是地图可视化、数据库系统以及空间分析三者有机的结合, 其核心是利用计算机技术建立图形元素的拓扑关系与建立空间数据库及属性数据库的联动关系[2]。
地理信息系统 (GIS) 的基本功能包括: (1) 准备。收集、数字化、编辑数据; (2) 分析。检验数据, 数据更新, 即产生信息; (3) 管理。永久性的文字、数字式数据、地理数据的管理; (4) 显示。各种图形、报告、报表的输出或屏幕显示。
与传统的GIS软件建模软件相比具有如下优势: (1) 三维可视化矿山工程软件Surpac Vision具有传统GIS建模软件的基本功能。 (2) Surpac Vision软件比传统的GIS二次开发环境:如Arc/Info的AML语言通用语言;Map Info的Map X等, Surpac Vision软件利用TCL语言进行二次开发更简单。 (3) Surpac Vision具有结合专业实际的应用特点, 在矿山开采设计的实用性方面具有很大优势, 如钻孔编录和炮眼设计、矿坑设计、地下开采设计和掘进工程等等。 (4) 软件数据存放、管理都是采用文件方式。
3 Surpac Vision软件在地质建模中的应用
3.1 数据库表的建立。
数据库表是地质数字建模应用的基础。将原始地质编录资料转换成数据库表信息, 包括四个数据库表:钻孔 (孔口) 定位表 (Coller Table) , 钻孔测斜表 (Surey Table) , 岩性编录表 (Geology Table) , 样品分析结果表 (Sample Table) 。四个数据库表相互独立, 但均通过钻孔编号关联。数据库建立后Surpac会自动创建三个基本表Coller, Surey和translation, 这三个表是强制性的, 其中translation表是转换表, Surpac会自动创建和维护, 不需要用户导入数据。用户可以直接查看、编辑、更新数据, 对数据库进行管理。
数据库表建立的技术要求: (1) 坑道或坑探编录转化为线性编录资料, 相当于钻孔资料; (2) 数据格式采用文本或电子表格 (csv带逗号分隔) ; (3) 可以直接与许多流行的数据库相连接, 诸如Access、SQL Server、Oracle、Paradax等任何一种方式来存储和管理地质信息; (4) 建立的四个数据库表均采用英语大小写进行识别。
3.2 实体建模。
实体模型从地理信息系统角度讲属于三维数据的三角网。它用来描述三维空间的物体, 是三维模型的基础。可以快速的描述物体的轮廓、计算物体体积和表面积、任意方位的切割剖面、空间约束、体之间和体与面之间的交差运算等等。
实体模型是根据勘探线剖面中的数据化的矿体边界, 将一系列勘探线上对应矿体的剖面线连成三角网, 封闭两端或尖灭矿体, 即成矿体的三维实体模型 (见图1) 。
在Surpac Vision软件环境下, 矿体的三维实体模型实际上是由许多相互不交叉、不重叠的三角面构成。因此, 组成实体的各三角面不存在自相交、无相邻边、重复边、无效边, 否则必出现重复连接或未封闭等问题。反复验证符合约定条件后, 才能称得上有效实体, 进行实体表面积和体积计算。
进行实体建模时应注意以下几个方面的问题: (1) 同一矿体必须是统一的三角网号和统一体号; (2) 矿体形态不规则的借助辅助线连接矿体可以大大节省工作时间; (3) 所连实体不能存在开放边, 可以通过显示功能找到开放边, 借助辅助线进行实体封闭; (4) 复杂的矿体将其分解, 对贫矿、富矿、表外矿石进行分解, 降低实体的复杂程度; (5) 对CAD图件进行处理时坐标一致, 转换时注意空间位置和方向与相邻的矿体围岩方向一致。
3.3 块体建模。
在Surpac Vision软件环境中, 块体模型是块体与地质统计学相结合, 应用数学方法对品位分布进行建模, 即实现三维地学模型 (3-Dimension Geoscience Modeling, 简称3DGM) 。三维地学模型建设就是为了解决地学领域中遇到的三维问题而提出来的[3]。它实际是地质数据库的一种形式, 可以存储和操作数据, 还能修补来自数据中的信息, 这和传统的数据库有所不同, 存储的数据更像内插替换一个值, 而不是度量一个值。
块模型的组成部分是块体单元, 每一个块体单元都和一个记录相联, 这个记录以空间作为参照。通过建立块体模型可以为每个块体赋值品位、储量、岩性等地质信息, 通过为块体赋予属性来实现显示矿体品位特征、单元块体体积、密度等, 并达到建立矿体属性相关性分析的目的。
在建立块体模型的过程中, 需要建立块体约束条件, 即在一个范围内 (矿体编号、矿石化学分析元素符号、字符、固定值等) 对模型进行估值, 把其控制在圈定的矿体边界内, 实现块体与数据库中的化验数据结合的目的, 最终实现对单元块的赋值, 这样就基本建成矿体数字块体模型, 显示矿体三维空间品位的变化、富集规律。在块体模型中, 我们可以按不同的边界品位绘制任意方位的剖面图和任意中段的平面图, 也可以按不同的品位分色显示贫富矿体的分布位置和形态 (见图2) 。此外, 应用块体模型, 我们也可以分标高、分矿块、分采场、分矿石类型、分品位等级的报告矿床资源量、矿床品位、金属量, 输出相关地质储量资料, 为传统地质储量估算提供依据。
4 结论
通过Surpac Vision软件矿山企业可以建立自己的矿山原始地质资料数据库, 根据需要随时进行数据的编辑和查询, 建立三维可视化实体模型和块体模型达到对矿体的变化性进行了分析研究, 实现对矿山生产的动态管理。实现矿产的综合开发利用, 为提高矿产资源开发的社会经济消息提供了科学依据, 给企业今后的发展构建了一个综合信息平台。
参考文献
[1]李海华, 张瑞新.应用Surpac软件进行露天矿采矿工程的可视化[J].中国矿业, 2004, 13 (1) :64-65.
[2]吴立新, 张瑞新等.三维地学模拟与虚拟矿山系统[J].测绘学, 2002, 31 (1) :28-33.